一. 簡介

　　這是FPGA之旅設(shè)計的第五例啦！今天給大家?guī)淼氖荌IC通信，IIC協(xié)議應(yīng)用非常廣泛，例如與MPU6050進行通信，配置OV5640攝像頭、驅(qū)動OLED屏幕等等，都需要使用到IIC協(xié)議，所以掌握它是非常必要的，廢話不多說，接著往下看。文末獲取完整代碼。

　　二. IIC簡介

　　IIC協(xié)議分為主機和從機，所有的請求都是由主機發(fā)出，從機進行響應(yīng)，從機是沒有辦法對主機進行讀或?qū)懙?。IIC協(xié)議共有兩根線，數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL，兩根線就可以完成所有的通信請求，簡直是太給力了。

　　三. IIC協(xié)議

　　終于到了IIC協(xié)議的部分。IIC協(xié)議簡單來說，共有五種狀態(tài)，這五種狀態(tài)的有序組合就組成了完整的IIC通信，學(xué)習(xí)IIC協(xié)議，就是學(xué)習(xí)這五種狀態(tài)。

　　空閑態(tài):  SCL 和 SDA 都為高電平，不進行通信的時候。

　　起始態(tài)：在SCL為高電平的時候，將SDA拉低，主機通知從機，開始進行通信。

　　數(shù)據(jù)傳輸態(tài)：數(shù)據(jù)傳輸態(tài)，又可以分為讀和寫兩個部分，過程都是一樣的，就合在一起了，都是在SCL為低電平的時候，SDA將數(shù)據(jù)發(fā)送，在SCL為高電平的時候，將數(shù)據(jù)接收。

　　(非)應(yīng)答態(tài)：數(shù)據(jù)傳輸態(tài)完成后，必須接一個應(yīng)答態(tài)或者非應(yīng)答態(tài)，為了確定對方接收到了數(shù)據(jù)。在SCL為高電平的時候，檢測到SDA為低電平，則為應(yīng)答，否則為非應(yīng)答。

　　停止態(tài)：一次數(shù)據(jù)傳輸完成，由主機發(fā)起，在SCL為高電平的時候，SDA由低電平變成高電平。

　　了解了這五種狀態(tài)后，接下來就要學(xué)習(xí)如何使用這五種狀態(tài)來進行讀寫操作了。

　　(一)  IIC寫操作

　　下面就是一個完整的寫操作，共包含三次數(shù)據(jù)傳輸態(tài)，第一次發(fā)送的是從機地址 + 0，第二次發(fā)送的是寄存器的地址，第三次寫的是數(shù)據(jù)，寫入寄存器中的數(shù)據(jù)。從機地址一般為7bit，與另外一bit共同組成8bit，0表示寫，1表示讀。

　　(二）IIC讀操作

　　讀操作要比寫操作復(fù)雜一點，需要的狀態(tài)多一些。一共有五個數(shù)據(jù)傳輸態(tài)，狀態(tài)圖如下了。

　　上面的流程圖都是對從機的地址為7位以及從機的寄存器地址為8位的操作。

　　四. Verilog代碼實現(xiàn)

　　有了上面的各個狀態(tài)中，SDA和SCL的變換關(guān)系，以及讀寫的序列，就可以很方便的來寫程序啦。

　　1. 首先，當(dāng)然離不開狀態(tài)機，根據(jù)上面敘述的五種狀態(tài)，編寫狀態(tài)機，狀態(tài)機中，將數(shù)據(jù)傳輸態(tài)分成了讀和寫兩種狀態(tài)。有了各個狀態(tài)，操作SDA和SCL兩根線不是易如反掌嘛！

　　/*IIC 狀態(tài)*/

　　localparam IIC_IDLE       =   6'b000_001;  /*空閑態(tài)*/

　　localparam IIC_START      =   6'b000_010;  /*起始態(tài)*/

　　localparam IIC_WRDATA     =   6'b000_100;  /*寫數(shù)據(jù)態(tài)*/

　　localparam IIC_RDDATA     =   6'b001_000;  /*讀數(shù)據(jù)態(tài)*/

　　localparam IIC_ACK        =   6'b010_000;  /*應(yīng)答態(tài)*/

　　localparam IIC_STOP       =   6'b100_000;  /*停止態(tài)*/

　　2. 狀態(tài)機的跳轉(zhuǎn)條件如下，跳轉(zhuǎn)條件和上面敘述的一樣。單獨看這個有點難懂，有些變量不明白其具體含義，可以結(jié)和仿真圖形和完整代碼進行理解。

　　/*狀態(tài)機*/

　　always @(*)

　　begin

　　case(state)

　　IIC_IDLE:

　　if(IICWriteReq == 1'b1 || IICReadReq == 1'b1)

　　next_state <= IIC_START;

　　else

　　next_state <= IIC_IDLE;

　　IIC_START:

　　if(IICCnt == (IIC_Pre * 'd2))

　　next_state <= IIC_WRDATA;

　　else

　　next_state <= IIC_START;

　　IIC_WRDATA:

　　if(IICBitCnt == 'd8 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0)

　　next_state <= IIC_ACK;

　　else

　　next_state <= IIC_WRDATA;

　　IIC_RDDATA:

　　if(IICBitCnt == 'd8 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0)

　　next_state <= IIC_ACK;

　　else

　　next_state <= IIC_RDDATA;

　　IIC_ACK:

　　if(IICACKStopCnt == 'd1 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0)

　　if(IICSendBytes == 'd3)

　　if(IICWriteReq == 1'b1)         /*三個字節(jié)發(fā)送完成，進入停止態(tài)*/

　　next_state <= IIC_STOP;

　　else

　　next_state <= IIC_RDDATA;

　　else if(IICSendBytes == 'd2 && IICReadReq == 1'b1)

　　next_state <= IIC_START;

　　else if(IICSendBytes == 'd4)

　　next_state <= IIC_STOP;

　　else

　　next_state <= IIC_WRDATA;

　　else

　　next_state <= IIC_ACK;

　　IIC_STOP:

　　if(IICACKStopCnt == 'd1 && IICCnt == IIC_Pre/4 && iicCLK == 1'b1)

　　next_state <= IIC_IDLE;

　　else

　　next_state <= IIC_STOP;

　　default:  next_state <= IIC_IDLE;

　　endcase

　　end

　　各個部分實現(xiàn)的詳細代碼，就不列舉出來啦，代碼總計280多行，也不算多。通過本IIC模塊，可以驅(qū)動OV5640攝像頭，MPU6050模塊和0.96寸OLED屏幕等等，后續(xù)會基于此模塊，來驅(qū)動這些外設(shè)。

　　五. testbeach編寫

　　還是按照流程走，編寫完模塊后，進行一下仿真，還真有錯誤，幸虧仿真了，哈哈哈。

　　`timescale 1ns/1ps

　　module testbench();

　　reg  clk;

　　reg  rst;

　　wire  SDA;

　　wire  SCL;

　　reg IICWriteReq;

　　reg IICReadReq;

　　wire IICWriteDone;

　　wire IICReadDone;

　　always # 50 clk = ~clk;

　　initial begin

　　clk = 1'b1;

　　rst = 1'b1;

　　IICWriteReq = 1'b0;

　　IICReadReq = 1'b1;

　　#100   /*手動復(fù)位*/

　　rst = 1'b0;

　　#100

　　rst = 1'b1;

　　end

　　always@(posedge clk)

　　if(IICReadDone == 1'b1)   /*讀完成后，readReq為0，只進行一次讀寫操作*/

　　IICReadReq <= 1'b0;

　　else

　　IICReadReq <= IICReadReq;

　　IIC_Driver  IIC_DriverHP(

　　.sys_clk            (clk),           /*系統(tǒng)時鐘*/

　　.rst_n              (rst),             /*系統(tǒng)復(fù)位*/

　　.IICSCL             (SCL),            /*IIC 時鐘輸出*/

　　.IICSDA             (SDA),             /*IIC 數(shù)據(jù)線*/

　　.IICSlave           ('h1234),

　　.IICWriteReq        (IICWriteReq),       /*IIC寫寄存器請求*/

　　.IICWriteDone        (IICWriteDone),      /*IIC寫寄存器完成*/

　　.IICWriteData        ('h5a), /*IIC發(fā)送數(shù)據(jù) 8bit的從機地址 + 8bit的寄存器地址 + 8bit的數(shù)據(jù)(讀忽略，后默認為0)*/

　　.IICReadReq         (IICReadReq),        /*IIC讀寄存器請求*/

　　.IICReadDone        (IICReadDone),       /*IIC讀寄存器完成*/

　　.IICReadData        ()/*IIC讀取數(shù)據(jù)*/

　　);

　　endmodule

　　需要完整代碼的可以關(guān)注微信公眾號 FPGA之旅 回復(fù) ：FPGA之旅設(shè)計99例之第五例

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電子技術(shù)應(yīng)用專欄作家  FPGA之旅

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